土壤微流控芯片簡(jiǎn)介

在這篇綜述中，將討論所謂的片上土壤系統(tǒng)領(lǐng)域的進(jìn)展，包括到目前為止已經(jīng)獲得的一些最有趣的應(yīng)用，以及未來(lái)一些有前途的研究領(lǐng)域。土壤是一個(gè)由礦物質(zhì)、水、氣體、有機(jī)物、微生物和植物根系組成的復(fù)雜環(huán)境。所有這些要素都是相互聯(lián)系的，它們的相互作用在不斷變化的情況下形成了一個(gè)異質(zhì)但平衡的環(huán)境。研究這一系統(tǒng)的挑戰(zhàn)來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)：到目前為止，沒(méi)有任何直接技術(shù)可以在不對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行根本改變的情況下對(duì)其進(jìn)行分析，也沒(méi)有任何模型能夠重建和控制可靠地模擬其環(huán)境條件所需的時(shí)空變化。

微生物生態(tài)學(xué)在土壤研究中面臨的許多障礙的潛在解決方案可以在微流體學(xué)中找到。不僅土壤結(jié)構(gòu)的規(guī)模在應(yīng)用范圍內(nèi)，而且所需試劑的減少、透明度和微流控系統(tǒng)提供的特定定制方法都是使其適合這一目的的寶貴優(yōu)勢(shì)。

圖1：土壤的結(jié)構(gòu)和成分，包括有機(jī)和無(wú)機(jī)物

微流控土壤芯片中的繁殖異質(zhì)性

從結(jié)構(gòu)角度看，土壤是由微團(tuán)聚體和孔隙組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。微團(tuán)聚體由不同性質(zhì)的填充顆粒組成，可以是礦物或有機(jī)物。這些微團(tuán)聚體通過(guò)靜電力和有機(jī)結(jié)構(gòu)(如真菌菌絲和根)結(jié)合在一起形成大聚集體。因此，可以說(shuō)，土壤的主要特征是其非均質(zhì)性，在多個(gè)層面上都是有效的，根據(jù)研究的重點(diǎn)，可以用不同的微流體模型來(lái)模擬它。

圖2：在微流控芯片中實(shí)現(xiàn)的不同地形，以模擬土壤物理結(jié)構(gòu)。A)生成形狀和大小不同的顆粒圖案，B)通道交叉點(diǎn)(Voronoi鑲嵌)，C)孔復(fù)制

化學(xué)異質(zhì)性。
如前所述，土壤的組成遠(yuǎn)不是一成不變的，不僅組成團(tuán)聚體的物質(zhì)有很大的變化，以梯度和流動(dòng)的形式存在的其他物質(zhì)也有很大的變化。這些物質(zhì)大多是重要的生物資源，如水、氮、二氧化碳和氧氣，并隨著外部條件的不同而不斷變化。在這方面，微流體設(shè)備可以通過(guò)使用瓊脂塊(缺點(diǎn)是不透明度增加)和水凝膠來(lái)實(shí)現(xiàn)受控釋放，或者通過(guò)使用樹(shù)形通道流、壓力平衡(OB1)或膜來(lái)控制流量，從而產(chǎn)生類似的梯度。

圖3：流動(dòng)控制產(chǎn)生的化學(xué)梯度。A)膜，B)樹(shù)形通道流動(dòng)和C)壓力平衡

生物異質(zhì)性。
土壤有機(jī)體主要是指細(xì)菌和真菌，盡管植物和一些動(dòng)物，特別是線蟲(chóng)，也必須被考慮才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完整的分析。傳統(tǒng)上，微生物培養(yǎng)的重點(diǎn)是單一物種，該設(shè)備的物理和化學(xué)要求是適應(yīng)的。然而，對(duì)于土壤微生物，這些要求還包括存在另一組共享協(xié)同新陳代謝途徑或交流的物種，即群體感應(yīng)。更好地了解這些影響是芯片上土壤系統(tǒng)的目標(biāo)之一，因此，通過(guò)不同的方法探索了幾個(gè)物種共種的想法。一方面，在隔離芯片上探索了單獨(dú)培養(yǎng)的選擇，其中每個(gè)細(xì)胞被限制在其自己的滲透室中。實(shí)際的細(xì)胞和群體并不相連，但可以接觸到相同的介質(zhì)和其他人產(chǎn)生的產(chǎn)品。另一方面，一個(gè)類似的微流控概念是基于不同物種通過(guò)不同的通道循環(huán)，但緊密地在一起，只是被膜分開(kāi)。

圖4：允許同一環(huán)境中不同物種間接接觸的微流控芯片。A)隔離芯片B)膜分離

關(guān)于土壤微流控芯片中相互作用的研究

之前所有類型的異質(zhì)性都可以相互關(guān)聯(lián)，以結(jié)合它們的影響。環(huán)境元素之間的這些直接相互作用是更現(xiàn)實(shí)的特征的關(guān)鍵，甚至包括更復(fù)雜的生物體，如植物的根和線蟲(chóng)。分析直接相互作用的一般方法是使用基于液滴的微流體，其中每個(gè)液滴都是一個(gè)孤立和完整的環(huán)境。根據(jù)其中存在的要素，根據(jù)所建立的互動(dòng)和關(guān)系，將達(dá)到不同的發(fā)展階段。這項(xiàng)技術(shù)被證明對(duì)檢測(cè)共生關(guān)系特別有用，因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)物種的直接接觸才會(huì)引發(fā)它們的擴(kuò)散。還值得注意的是，液滴格式提供了一些優(yōu)勢(shì)，即同時(shí)進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)的并行性能，根據(jù)結(jié)果對(duì)液滴進(jìn)行分類，總體上更容易篩選和處理?？商鎿Q地，使用單細(xì)胞捕獲還允許直接接觸當(dāng)前元件并分析靜態(tài)隔離環(huán)境中可能的相互作用。

圖5：多種元素直接相互作用的微流控方法。A)基于液滴的微流體，B)細(xì)胞捕獲

土壤微流控芯片的應(yīng)用

除了了解土壤生態(tài)系統(tǒng)的研究之外，還可以設(shè)想芯片上土壤系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用。這些都源于受控環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，在這種環(huán)境中，每個(gè)重要參數(shù)都可以相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，以前不可培養(yǎng)的物種可以在培養(yǎng)中保持不變。

生物修復(fù)。
土壤是一個(gè)易受污染的環(huán)境，但與水或空氣相反，介質(zhì)大多是靜態(tài)的，徹底的解毒意味著它的根本改變。避免對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行激進(jìn)干預(yù)的一種更環(huán)保、更可行的選擇來(lái)自利用微生物代謝目前的有毒物質(zhì)的可能性。然而，為了這一過(guò)程的成功，正確的物種需要有足夠的數(shù)量，能夠獲得代謝途徑所需的污染物和額外的資源。這些條件在自然系統(tǒng)中很難滿足，通常必須進(jìn)行優(yōu)化。因此，需要可靠的土壤模型來(lái)得到最有效的解。便利的是，有許多土壤微生物，特別是細(xì)菌和真菌，能夠降解對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，如原油、殺蟲(chóng)劑和重金屬。

圖6：土壤生物修復(fù)示意圖。在接種有機(jī)體和營(yíng)養(yǎng)素后，注入空氣以促進(jìn)物質(zhì)的膨脹，在某些情況下，促進(jìn)物質(zhì)的部分回收土壤芯片上的生物膜。
在適當(dāng)?shù)臈l件下，微生物可以在被稱為生物膜的超細(xì)胞結(jié)構(gòu)中相互作用，生物膜由嵌入細(xì)胞外聚合物底物的細(xì)胞群落組成。這些結(jié)構(gòu)的主要興趣來(lái)自于這樣一個(gè)事實(shí)，即與它們的自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相比，微生物的集體行為可以發(fā)生重大變化。因此，不僅它們產(chǎn)生的物質(zhì)發(fā)生了變化，而且它們生存所需的資源也發(fā)生了變化。通過(guò)生物膜內(nèi)不同物種的聯(lián)合可以進(jìn)一步增強(qiáng)這種效果，這些物種相互補(bǔ)充，保護(hù)環(huán)境不受變化的影響，增加群落的整體生存能力。就土壤而言，即使經(jīng)常在生物膜中發(fā)現(xiàn)微生物，微流體研究仍然是相當(dāng)新的[23]。更好地了解生物膜的形成機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)許多新的土壤物種，這可能會(huì)有重要的應(yīng)用，如生物修復(fù)或發(fā)現(xiàn)新的藥物化合物。

 圖7：生物膜的生命周期和分散性。自由和嵌入的階段顯示

結(jié)論

簡(jiǎn)而言之，對(duì)土壤的研究試圖回答許多問(wèn)題，這些問(wèn)題可能通過(guò)微流體學(xué)來(lái)回答。盡管已經(jīng)取得了一些顯著的進(jìn)展，但大多數(shù)研究都是在最近幾年完成的，該領(lǐng)域的真正發(fā)展還沒(méi)有到來(lái)。此外，考慮到土壤的復(fù)雜性，我們還遠(yuǎn)沒(méi)有一個(gè)可靠的單一設(shè)備來(lái)完全模擬土壤，但正在開(kāi)發(fā)適用于這種多方面環(huán)境的幾個(gè)特定方面的不同模型。這一課題的研究進(jìn)展緩慢也可能與當(dāng)今芯片上土壤器件的可用性較低有關(guān)，因此這些新工具的存在將使更廣泛的受眾獲得所需設(shè)備，從而極大地受益于該領(lǐng)域。